傳感器與檢測技術---第8章 光電式傳感器

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1、8.1光電器件8.2光纖傳感器8.３紅外傳感器返回主目錄第8章光電式傳感器將光能轉換為電能的設備稱作光電式傳感器件,它的最主要部件光電器件8.1光電器件光電器件的物理基礎是光電效應。光電效應可分為外光電效應和內光電效應兩類。1.外光電效應由光子理論可知，光是由光子組成的，光子具有能量，每個光子具有的能量可由下式表示：E=hγ（8－1）式中：h為普朗克常數(shù)，γ為光的頻率。由(8－1)式可知，光的頻率越高（即波長越短），其光子的能量就越大。反之，若光的頻率越低（即波長越長），其光子的能量就越小。當光照射物體時，可以看作物體被一連串能量為hγ的光子所轟擊。當物體內電子吸收入射光子能量超

2、過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面向外發(fā)射，這種現(xiàn)象就稱作外光電效應。向外發(fā)射的電子就叫作光電子。基于外光電效應的有光電管、光電倍增管等。2.內光電效應在光線作用下,物體內的電子不逸出物體表面，而使其電性能發(fā)生變化或產生光生電動勢的現(xiàn)象稱作內光電效應。1）光電導效應：在光線作用下,當半導體吸收的光子能量超過它的禁帶寬度，就激發(fā)出電子－空穴對，使載流子濃度增加，電阻減小，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。如光敏電阻等就屬于這類光電器件。2）光生伏特效應：在光線作用下,能使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應,又稱阻擋層光電效應。如光電池、光敏晶體管等就屬于這類光電器件。一、光電管和

3、光電倍增管1、光電管光電管的結構如下圖（a）所示，它是在一個真空玻璃泡內裝有兩個電極的器件。一個貼在玻璃泡內稱作光電陰極，陰極前裝有一根金屬絲稱作陽極。其工作原理是基于外光電效應：即當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸收，在光電管內就產生光電流，在外電路中便產生電流。其光電流的大小與光通量有關，這個關系曲線稱作光電管的伏安特性曲線。如下圖（b）所示。陽極電壓陽極電流光通量陽極光電陰極玻璃泡（a）光電管結構圖（b）光電管伏安特性圖2、光電倍增管光電倍增管結構如下圖所示，它有光電陰極、若干（通常4～14個）倍增極和陽極3部分組成。其工作原理也是基于外光電效應

4、：工作時，各個倍增電極上均加上電壓，陰極K電位最低，各倍增極E1、E2、E3、E4(或更多）電位一次升高，陽極A電位最高。當光線照射到陰極上打出光電子，由于各極間有電場存在，電子加速從而轟擊出更多的電子，這些電子最后被陽極吸收，從而在光電陰極和陽極之間形成較大電流。并且放大倍數(shù)與極數(shù)成倍增關系。其伏安特性曲線與光電管相似。KE1E2E3E4A光光電子光電倍增管示意圖二、光敏電阻１．光敏電阻的結構光敏電阻又稱光導管,它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。其結構如下圖8-1所示1它是涂于玻璃底板上的一薄層半

5、導體物質,半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響,在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。2.工作原理它的工作原理是基于半導體的光電導效應。即當無光照時,光敏電阻值很大,電路中電流很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的電阻率急劇減少,從而導致電阻急劇減少，因此電路中電流迅速增大。3．光敏電阻的主要參數(shù)（１）暗電阻和暗電流——光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。一般來說暗電阻越大越好。（２）亮電阻和亮電流——光敏電阻在受光照射時的電阻稱

6、為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。一般來說亮電阻越小越好。（３）光電流——亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般來說光電流越大越好。光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。4．光敏電阻的基本特性（1）伏安特性——在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。圖8-2為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見,光敏電阻在一定的電壓范圍內,其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關,而與電壓、電流無關。（2）光譜特性——光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性,亦稱為光譜響應。圖8-3為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。從圖中可

7、以看出，對應于不同波長,光敏電阻的靈敏度是不同的。即光敏電阻對入射光的光譜有選擇作用。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光(波長在380~780nm之間）區(qū)域,常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū),常用做火焰探測器的探頭。（3）溫度特性——溫度變化影響光敏電阻的光譜響應,同時,光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變,尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖8-4為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它